TW201546438A - 逆光電發射分光裝置 - Google Patents

逆光電發射分光裝置 Download PDF

Info

Publication number
TW201546438A
TW201546438A TW104117222A TW104117222A TW201546438A TW 201546438 A TW201546438 A TW 201546438A TW 104117222 A TW104117222 A TW 104117222A TW 104117222 A TW104117222 A TW 104117222A TW 201546438 A TW201546438 A TW 201546438A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
sample
wavelength
light
electron
photodetector
Prior art date
Application number
TW104117222A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroyuki Yoshida
Original Assignee
Japan Science & Tech Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science & Tech Agency filed Critical Japan Science & Tech Agency
Publication of TW201546438A publication Critical patent/TW201546438A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/443—Emission spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • G01N23/2254—Measuring cathodoluminescence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/14—Arrangements for focusing or reflecting ray or beam
    • H01J3/18—Electrostatic lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/252—Tubes for spot-analysing by electron or ion beams; Microanalysers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/063—Illuminating optical parts
    • G01N2201/0638—Refractive parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/068—Optics, miscellaneous
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/611—Specific applications or type of materials patterned objects; electronic devices
    • G01N2223/6116—Specific applications or type of materials patterned objects; electronic devices semiconductor wafer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/063—Electron sources
    • H01J2237/06308—Thermionic sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/063—Electron sources
    • H01J2237/06375—Arrangement of electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/2445—Photon detectors for X-rays, light, e.g. photomultipliers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

逆光電發射分光裝置1係於試料40照射低能量之電子束，檢測試料40內之電子緩和至空態位時產生之光。逆光電發射分光裝置1包含：產生照射於試料40之電子之電子產生部10；選擇由試料40產生之光中具有特定之波長之光之波長選擇部90；檢測由波長選擇部90選擇之光之光檢測器100；及配置於試料40與光檢測器100之間之聚光光學系統80。電子產生部10包含氧化釔作為熱電子釋放材料。

Description

逆光電發射分光裝置
本發明係關於一種於有機半導體等之試料上照射電子束，檢測試料內之電子緩和至空態位時產生之光之逆光電發射分光裝置。
現在，針對有機薄膜電晶體(OFET)或有機薄膜太陽電池等、利用有機半導體之裝置之研究盛行。於有機半導體裝置之開發中，價電子態位、空態位或傳導態位(最低能量之電子親和力、狀態密度等)之正確測定係不可或缺。價電子態位或價電子帶係於試料照射光，根據測定所釋放之電子之能量之光電發射分光法測定。另一方面，作為測定空態位或傳導帶之方法，已知有逆光電發射分光法(Inverse Photoemission Spectroscopy：IPES)。
於逆光電發射分光法中，藉由將能量聚集之電子束照射於試料，將試料內之電子緩和至空態位時產生之光譜作為電子之能量之函數而測定，可求得電子親和力。
先前，於逆光電發射分光法中，為了將信號強度變大而照射較強電子束，檢測出產生之真空紫外光。但，該情形時，有如以下之問題。第1，尤其試料係有機半導體之情形時，容易因電子束而於試料發生損傷(變質)。第2，由於真空紫外光被氧吸收，故，必須在高真空中進行檢測，而裝置之構成複雜。第3，為了檢測真空紫外光，必須使用解析度較低之特殊光學系統等。
因此，於專利文獻1、與非專利文獻1至4所揭示之低能量逆光電發射分光法(Low-energy Inverse Photoemission Spectroscopy：LEIPS)中，將較構成試料之分子之共價鍵結能量更低能量之超低速電子束照射於試料，而防止試料之損傷。又，自試料釋放之光係不被氧吸收之近紫外光，藉此可於空氣中進行檢測。此外，藉由使用於真空紫外光之檢測中無法使用之市售之石英玻璃或多層膜干涉帶通濾波器等以高感度檢測光，可實現高解析度。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2013/129390號
[非專利文獻]
[非專利文獻1]Hiroyuki Yoshida, “Near-ultraviolet inverse photoemission spectroscopy using ultra-low energy electrons”, Chem. Phys. Lett. 539-540, 180-185 (2012).
[非專利文獻2]Hiroyuki Yoshida, “Measuring the electron affinity of organic solids: An indispensable new tool for organic electronics”, Anal. Bioanal. Chem. (Trend2014) 406:2231-2237.
[非專利文獻3]Hiroyuki Yoshida, “Note: Low energy inverse photoemission spectroscopy apparatus”, Rev. Sci. Instrum. 85, 016101 (2014).
[非專利文獻4]Hiroyuki Yoshida, “Low-energy inverse photoemission spectroscopy using a high-resolution grating spectrometer in the near ultraviolet range” Rev. Sci. Instrum. 84, 103901 (2013).
但，於專利文獻1、非專利文獻1至4中，自動作溫度低之理由， 將氧化鋇BaO作為陰極之熱電子釋放材料使用。
但，氧化鋇由於鋇之功函數小而反應性亦高。因此，若與水或空氣反應，則釋放電子量減少等、其性能大為降低。其結果，於氧化鋇陰極中，不僅陰極之保管與處理難，且必須進行充分煅燒(烘焙)，或於10-10Torr左右之超高真空之真空槽內配置陰極。為了進行煅燒，耐熱性材料之使用係不可或缺，進而亦必須考慮使用者之安全性。再者，作為裝置，為了實現超高真空，需要高價密封裝置(例如金屬密封圈)或特殊真空泵，裝置之處理亦要求專門性。
本發明係為了解決如上述之問題而完成者，目的在於提供一種處理容易且低成本之逆光電發射分光裝置。
本發明之一態樣係關於檢測試料內之電子緩和至空態位時產生之光之逆光電發射分光裝置。
該裝置包含：電子產生部，其產生照射於試料之電子；波長選擇部，其選擇由試料產生之光中具有特定波長之光；光檢測器，其檢測由波長選擇部所選擇之光；及聚光光學系統，其配置於試料與光檢測器之間；且電子產生部包含氧化釔作為熱電子釋放材料。
於本發明之一態樣中，光檢測器可包含對具有400nm以上波長之光不具有感度之日盲型之光電轉換部。
於本發明之一態樣中，日盲型之光電轉換部可包含選自包含碘化銫、銫碲及氮化鎵之群之光電轉換材料。
於本發明之一態樣中， 聚光光學系統可包含：準直透鏡，其係以將由試料產生之光轉換成平行光束之方式，配置於試料與波長選擇部之間；及成像透鏡，其係以將由波長選擇部選擇之光成像於光檢測器之光電轉換部之方式，配置於波長選擇部與光檢測器之間。
於本發明之一態樣中，波長選擇部可為以介電質多層膜構成之干涉帶通濾波器。
於本發明之一態樣中，試料係被具有5eV以下之能量之電子束照射，波長選擇部可於150nm至700nm之範圍內具有透過波長域。
根據本發明之一態樣，藉由使電子產生部包含即使並非超高真空狀態亦可維持其性能之氧化釔作為熱電子釋放材料，實現容易處理且低成本之逆光電發射分光裝置。進而，可容易進行價電子態位與空態位之正確測定，可促進利用例如有機半導體之裝置之開發。
1‧‧‧逆光電發射分光裝置
10‧‧‧陰極(電子產生部)
11‧‧‧鎢絲
20‧‧‧電子透鏡
21‧‧‧電極
22‧‧‧絕緣體
23‧‧‧孔
24‧‧‧孔
30‧‧‧電子槍
31‧‧‧加熱器電極
32‧‧‧加熱器電極
33‧‧‧加熱器電源
34‧‧‧控制部
40‧‧‧試料
50‧‧‧真空槽
51‧‧‧窗部
60‧‧‧準直透鏡
70‧‧‧成像透鏡
80‧‧‧聚光光學系統
90‧‧‧帶通濾波器(波長選擇部)
100‧‧‧光電倍增管(光檢測器)
101‧‧‧光電面(光電轉換部)
102‧‧‧電子倍增器電極部(電子倍增部)
160‧‧‧透鏡
P‧‧‧距離
Q‧‧‧距離
V0~V5‧‧‧電位差
圖1係概略顯示本發明之實施形態之逆光電發射分光裝置之構成圖。
圖2係電子槍之要部剖面圖。
圖3係說明本發明之實施形態之光學系統構成的優點之圖，(a)係顯示先前之光學系統構成，(b)係顯示本發明之實施形態之光學系統構成。
圖4係顯示針對氧化鋇陰極(a)與氧化釔陰極(b)測定電子之動能分佈之時間變化的結果之圖表。
圖5係針對氧化釔陰極顯示電子之動能分佈之圖表。
圖6係顯示針對氧化釔陰極，測定銀薄膜之費米端附近之LEIPS 譜之結果之圖表。
圖7係針對光電倍增管單體顯示量子效率之波長依存性之圖表。
圖8係針對光電倍增管與帶通濾波器之組合顯示量子效率之波長依存性之圖表。
圖9係顯示針對Cs-Te光電面與雙鹼光電面測定鋅酞菁之LEIPS譜之結果之圖表。
圖10係顯示針對先前之光學系統構成與本發明之實施形態之光學系統構成，測定銀薄膜之費米端附近之LEIPS譜的結果之圖表。
以下，針對本發明之實施形態之逆光電發射分光裝置，一面參照圖式一面說明。於各圖中，對同一或同樣之構成標註同一符號。
圖1係概略顯示本發明之實施形態之逆光電發射分光裝置l之構成圖。
逆光電發射分光裝置1包含電子槍30、聚光光學系統80、帶通濾波器90、光電倍增管(光檢測器)100等。逆光電發射分光裝置1係於試料40照射電子束，檢測試料內之電子緩和至空態位時產生之光(主要是近紫外光)之裝置。作為試料40，假定為有機半導體，但亦可為半導體或金屬等。試料40設置於未圖示之基板上，與電流計(例如微微安培計)連接。
電子槍30包含作為電子產生部之熱陰極(以下，簡稱為陰極)10、與會聚陰極10中產生之電子之電子透鏡20。電子槍30將能量聚集之低能量之電子束、較佳為具有5eV以下之能量之電子束照射於試料40。電子束之能量係根據自未圖示之加速電極施加於陰極10之加速電壓與施加於試料40之偏壓電壓之差(嚴格而言，係考慮到各個熱電子釋放材料之功函數、試料40之功函數之值)而決定。自電子槍30釋放之電子束之能寬(動能分佈之半寬)係除了陰極10中產生之電子之能寬之 外，亦受空間電荷效果(space charge effect)之影響。然而，本實施形態之情形時可無視空間電荷效果之影響，故，自電子槍30釋放之電子束之能寬係與陰極10中產生之電子之能寬大致相等。
電子槍30與試料40配置於真空槽50內。真空槽50較佳為具有石英玻璃之窗部51。真空槽50不必處於10-10Torr左右之所謂超高真空狀態，可為真空度低於其(壓力較高)之狀態(例如10-7Torr左右，較佳為10-8Torr左右)之真空狀態。另，例如10-7Torr左右之真空狀態係指真空度比1×10-6Torr高、為1×10-7Torr或比其低之狀態。
圖2係電子槍30之要部剖面圖。
陰極10係經由鎢絲11與加熱器電極31、32連接。於加熱器電極31、32中，自加熱器電源33施加熱電壓，自藉由該熱電壓加熱之陰極10之熱電子釋放材料釋放熱電子。加熱器電源33係與控制部34連接，熱電壓係由控制部34控制於例如一定之值。
陰極10包含氧化釔Y2O3作為熱電子釋放材料。然而，氧化釔可因缺陷或雜質而具有非化學計量之組成。氧化釔係即使並非超高真空狀態亦能維持其性能之熱電子釋放材料。陰極10包含例如由銥組成之導電性之耐熱基底。氧化釔可塗佈於耐熱基底上。對陰極10可入手各種形狀者，為了即使低溫亦儘可能增加電子之釋放量，較佳為利用硬碟形狀之陰極。
電子透鏡20具有包含無氧銅之複數個電極21。各電極21連接於控制部34。雖未圖示，但控制部34亦連接於試料40。藉由控制部34，控制各電極21與試料40之電位差V0~V5。複數個電極21具有圓筒形狀，藉由未圖示之長螺釘與螺母成為一體。於複數個電極21之間埋入有絕緣體22。絕緣體22係紅寶石或藍寶石之球、或陶瓷製之絕緣子等。若絕緣體22之表面因電子束而帶電，則電子透鏡20內電子束之軌道發生變化。因此，複數個電極21分別具有如將絕緣體22自電子束隱 藏之形狀。
於複數個電極21中之最靠近陰極10側之電極，形成圓形開口部即孔23。又，於複數個電極21中之最靠近試料40側之電極亦形成有孔24。
於電子槍30中，藉由調整、設計(1)各電極21與試料40之電位差V0~V5、(2)孔23之徑、(3)陰極10與孔23之間之距離，可調節每單位時間內自電子槍30釋放之電子之量(電流)與對試料40之照射面積。如此般，控制試料40之照射面之電流密度。較佳的是，電流密度為約10-3A/cm2至約10-8A/cm2。電流密度較10-3A/cm2大之情形時，因庫侖力所產生之斥力，電子彼此擴散，較10-8A/cm2小之情形時，有難以檢測來自試料40之光之虞。尤其，藉由將(2)與(3)進行適當設計，一方面使陰極10之動作溫度下降，一方面自電子槍30提取必要強度之電子。
返回圖1，聚光光學系統80包含2個透鏡(凸透鏡)60、70。透鏡60、70係石英玻璃、氟化鎂、氟化鋰等。透鏡60係以將由試料40產生之擴散光轉換為平行光束之方式，配置於真空槽50與帶通濾波器90之間。以下，將透鏡60稱為準直透鏡。透鏡70係以出射帶通濾波器90之平行光束會聚而成像於光電倍增管100之光電面101之方式，配置於帶通濾波器90與光電倍增管100之間，較佳為接近帶通濾波器90而配置。以下，將透鏡70稱為成像透鏡。較佳的是，成像透鏡70之焦點距離與其有效徑相同程度。準直透鏡60與成像透鏡70係以具有相同厚度之方式圖示，但其等厚度可根據樣式而變更。
帶通濾波器90係以介電質多層膜構成之干涉帶通濾波器，具有交替堆疊有100層左右例如石英與氧化鉿之折射率大不相同之2種薄膜之構造。帶通濾波器90之透過波長域係較佳為考慮石英之透過波長域而為150nm以上，更佳的是，與多數有機半導體之電子親和力對應之 180nm至700nm。
光電倍增管100包含將入射光轉換成電子之光電面(光電轉換部)101、利用二次電子釋放使電子倍增之電子倍增器電極部(電子倍增部)102、用於將倍增之電子提取至外部之陽極(未圖示)等。於光電面101中，塗佈有所謂日盲型之光電轉換材料。日盲型之光電轉換材料係對可視光域之波長之光不具有感度。該光電轉換材料之例為對波長115nm至200nm之光具有感度之碘化銫Cs-I、對波長300nm以下之光具有感度之銫碲CsTe、對波長200nm至370nm之光具有感度之氮化鎵GaN。關於該等光電轉換材料，至少對波長400nm以上之光之感度為0，或小至可無視之程度。氮化鎵之情形時，具有量子效率(自光電面101釋放之光電子數/入射之光子數)較高(21.5%)之優點。
光電倍增管100連接於未圖示之電源與光子計數電路。電源對光電倍增管100供給驅動電壓。光子計數電路包含例如放大器、鑑別器、多通道分析器(或計數器)等，對光電倍增管100之輸出，根據光子計數法進行光子數之測定。光子計數電路連接於未圖示之運算裝置。運算裝置包含CPU(中央控制裝置)或記憶體等。運算裝置係藉由於利用控制部34使電子束之動能順次變化之狀態下，將自光子計數電路輸出之光子數根據照射電子之量(電流量)規格化，而獲得作為電子束之動能之函數之譜(LEIPS譜)。或，亦可將未規格化之光子數用作作為電子束之能量之函數之LEIPS譜。LEIPS譜係與空態位之狀態密度相對應。
此外，運算裝置係藉由求得LEIPS譜之上升之能量與真空態位之差，決定空態位之最低能量之試料40之電子親和力。
真空態位係可由以下2個周知之方法決定。根據第1個方法，描繪流通試料40(或基板)之電流作為電子束之能量之函數。接著，將於該電流之上升之回折點之能量加上帶通濾波器90之中心透過能量後之 值設為真空態位。根據第2個方法，對試料40測定光電發射光譜，而決定該譜之二次電子之截止能量，將於該截止能量加上激發光能量之值設為真空態位。
接著，使用圖3，對本實施形態之光學系統構成之優點進行說明。
於先前之LEIPS(a)中，作為聚光光學系統80僅設置透鏡160。透鏡160配置於試料40與帶通濾波器90之間，使於真空槽50之窗部51出射之擴散光會聚，且成像於光電倍增管100之光電面101。如此般，先前之光學系統構成中不設置準直透鏡。以下，將透鏡160稱為會聚透鏡。本發明不排除聚光光學系統80不包含準直透鏡之光學系統構成。
此時，為了提高光之捕集效果，較佳的是，將會聚透鏡160配置於試料40之附近(將圖中之距離P縮小)。另一方面，作為帶通濾波器90使用多層膜干涉帶通濾波器之情形時，為了充分獲得解析度，較佳為儘可能接近垂直入射(典型而言入射角度為5°以內)。該情形時，較佳的是將會聚透鏡160與帶通濾波器90之間之距離(圖中之距離Q)設為較大。若滿足該等要求，則形成於光電倍增管100之光電面101之像之倍率Q/P變大，需要較大之光電面。
此處，於試料、尤其是有機半導體中，若電流密度較大則容易產生表面之帶電、試料之損傷。若產生帶電，則應照射之電子束之能量增加，獲得之LEIPS譜會位移或者變形。為了防止試料之帶電、損傷，較佳為，一方面擴大電子束而維持照射之電子量，一方面使電流密度降低。若擴大電子束，則如上所述形成於光電面101之像亦變大，需要較大之光電面。
但，光電面101較大之光電倍增管100其暗計數亦變大而有背景雜訊增加之虞。進而，若擴大電子束則有信號強度降低之虞。
另一方面，根據本實施形態之光學系統構成(圖3(b))，具有以下 優點。
(1)藉由準直透鏡60，光以接近垂直入射之角度入射於帶通濾波器90，故而可獲得高解析度。(2)藉由於帶通濾波器90與光電倍增管100之間配置有成像透鏡70，可將倍率Q/P縮小，而可使用光電面101較小之光電倍增管100。(3)同樣藉由於帶通濾波器90與光電倍增管100之間配置有成像透鏡70，可使實用的實驗條件下之信號強度大為增加。
接著，就對光電倍增管100之光電面101使用日盲型之光電轉換材料所產生之優點進行說明。
於先前之LEIPS中，為了檢測自試料釋放之微弱之光(近紫外光)，將對近紫外光具有高感度之雙鹼(Sb-K-Cs合金)作為光電轉換材料使用。但，雙鹼亦對可視光具有高感度。因此，為了減少背景雜訊而必須將裝置進行充分遮光，此點會導致裝置之高成本化。當然可藉由使用帶通濾波器使背景雜訊下降，但，據報告指出，例如透過中心波長為254nm之帶通濾波器亦對可視光域即較430nm為長波長側之光具有1%之透過率。
進而，若誤將遮光破壞之情形時，光電子倍增管之壽命顯著下降，最差之情形會發生故障。
此外，於紫外域具有透過中心波長之多層膜干涉帶通濾波器中，於可視光域具有透過特性者較多，因此不能觀測使用其等之紫外域之光。
另，如本實施形態於熱電子釋放材料使用氧化釔之情形時，因其動作溫度較氧化鋇更高，而產生氧化鋇之情形時未產生之波長域之光，其藉由雙鹼光電轉換而有產生背景雜訊之虞。
另一方面，於本實施形態中，藉由使用如例示之日盲型之光電轉換材料，具有以下優點。
日盲型之光電轉換材料係由於對可視光域之波長之光不具有感度，故而(1)可以簡易遮光使用裝置，(2)可利用於紫外域具有透過中心波長之帶通濾波器，(3)於對熱電子釋放材料使用氧化釔之情形時亦不產生背景雜訊。
於本實施形態可施加各種變形、改良，本發明不限定於實施形態。以下，對本實施形態之變形例進行說明。
[變化例]
於本實施形態中，陰極10之熱電子釋放材料係氧化釔，於光電倍增管100之光電面101使用日盲型之光電轉換材料之情形時，即使熱電子釋放材料為其他金屬或氧化物等(例如氧化鋇、六硼化鑭LaB6、鎢W、鎢-錸合金W-Re)亦具有同樣優點。
又，陰極10係電子產生部之一例，可為間接熱式陰極，亦可為直熱式陰極。使用氧化鋇、六硼化鑭或氧化釔之陰極係旁熱式，使用鎢W或鎢-錸合金W-Re之陰極係直熱式陰極。
又，於本實施形態中，作為選擇由試料40產生之光之中具有特定波長(波長域)之光之波長選擇部，使用帶通濾波器90，作為檢測由波長選擇部選擇之光之光檢測器，使用光電倍增管100。如專利文獻1或非專利文獻3所揭示，亦可代替帶通濾波器90，使用分光器與出口隙縫而構成波長選擇部。又，如專利文獻1或非專利文獻4所揭示，可使用分光器與如CCD相機之二維檢測器(或如線性感測器之一維檢測器)而構成波長選擇部與光檢測器。再者，作為光檢測器，可代替光電倍增管100，使用將光電子進行二維檢測/倍增之增像器。於增像器中，存在具有日盲型之光電面者。或，例如可使用液氮冷卻型之半導體光檢測器。
又，圖示之光電倍增管100雖具有包含所謂透過型之光電面101之迎面式之構造，但亦可為具有所謂反射型之光電面之類型，亦可為 具有側向展開式之構造之類型。
[實施例]
以下，根據實施例(實驗1~4)將本發明更加詳細地進行說明，本發明並非限定於該等實施例者。
於實驗1~4中，作為電子槍30使用自製之Erdman-Zipf型電子槍。孔23之徑為0.50mm，陰極10與孔23之間之距離設為1.0mm。另，後述之氧化釔陰極(Kimball Physics公司製ES-525)之磁碟之徑為0.84mm，故，孔23之徑較磁碟之徑小。
又，照射於試料40之電子束之電流設為1.0μA以下。
於試料40中，使用設置於基板上之銀薄膜(實驗1、2)。具體而言，藉由濺鍍於石英玻璃板上堆積10nm ITO(氧化銦錫)，於其上真空蒸鍍10nm銀而設置銀薄膜。
真空槽50之減壓時係使用排氣量500L/s之渦輪分子泵。
實驗1.
測定自電子槍30釋放之電子之動能分佈之時間變化。電子之動能係對施加於陰極10之加速電壓與施加於試料40之偏壓電壓進行調節而產生變化。改變熱電子釋放材料而比較測定結果。實驗條件係如以下所述。
(a)陰極10：氧化鋇陰極(Kimball Physics公司製ES-015)，真空槽50內之壓力：3.0×10-9Torr(於約80℃下進行12小時煅燒)
(b)陰極10：氧化釔陰極(Kimball Physics公司製ES-525)，真空槽50內之壓力：1.5×10-8Torr(無煅燒)
圖4之圖表中係顯示實驗1之結果。圖表之橫軸表示自加速電壓與偏壓電壓計算之電子(電子束)之動能，縱軸表示經測定之電流值。又，實線表示實驗開始時之測定結果，虛線表示實驗開始12小時後(a)、及10小時後(b)之測定結果。
於氧化鋇陰極(a)中，於實驗開始12小時時電流值大為降低。 又，陰極10之功函數亦降低0.5eV以上。該點係於真空度低於1×10-9Torr之狀態時係同樣結果。如此般，氧化鋇陰極(a)中，即使係進行煅燒後之高真空狀態，由於長時間使用，電流值與陰極10之功函數都不穩定。
另一方面，氧化釔陰極(b)中，電流值與陰極10之功函數都幾乎未變化。如此般，確認作為熱電子釋放材料而使用氧化釔之情形時，即使不設為10-9Torr左右之超高真空，不進行煅燒，亦可長時間於穩定狀態下照射電子束。
圖5係顯示自電子槍30釋放之電子之動能分佈之圖表。
於氧化鋇陰極(虛線)中，釋放之電子之能寬(動能分佈之半寬)為0.25eV，於氧化釔陰極(實線)中為0.35eV。該能寬之值係如上所述，與陰極10中產生之電子之能寬大致相等。如下述實驗2所說明般，確認基於該結果，可獲得作為逆光電發射分光裝置可充分利用之裝置整體之高解析度。
另，於製造本實施例所使用之陰極之Kimball Physics公司之發佈中，氧化釔陰極中產生之電子之能寬為0.6eV，動作溫度為1800K。 就該能寬之值而言，若為本領域技術人員，則可判斷，即使於帶通濾波器90等使用解析度較高之現有者，仍難以獲得作為逆光電發射分光裝置可利用之裝置整體之高解析度，因此，可認為先前未使用氧化釔陰極。
另一方面，自本實驗1之結果，確認可以將氧化釔陰極中產生之電子之能寬設為較上述發佈值(0.6eV)小之狀態，於試料40照射電子束。
實驗2.
使用圖1之光電倍增管100，實驗1(b)：於氧化釔陰極之條件下， 測定試料40之LEIPS譜。追加之實驗條件係如以下所述。
透鏡60：直徑50mm、焦點距離100mm之石英透鏡
透鏡70：直徑25mm、焦點距離30mm之石英透鏡
帶通濾波器90：透過中心波長254nm，半寬0.23eV(美國Semrock公司製)
光電倍增管100：Cs-Te光電面(Hamamatsu Photonics公司製R821)
圖6之圖表中係顯示實驗2之結果。圖表之橫軸表示電子之動能，縱軸表示光強度。且，點表示費米端附近之LEIPS譜，實線表示誤差函數引起之LEIPS譜之擬合，虛線表示LEIPS譜之一階求導。金屬之費米端係根據費米分佈函數之溫度擴散而擴散。自試料40之費米端之擴散，逆光電發射分光裝置1整體之解析度可視為0.50eV。該解析度0.50eV係作為逆光電發射分光裝置可充分利用之值。另，裝置整體之解析度係將電子束之能寬設為△E，帶通濾波器90與光電倍增管100組合後之解析度設為△hv，而近似於(△E2+△hv 2)1/2。藉由提高帶通濾波器90與光電倍增管100之解析度，可使裝置1整體之解析度進而提高。
如此般，於熱電子釋放材料使用氧化釔之情形時，確認即使不將真空槽50內設為超高真空狀態而不進行煅燒，亦可獲得逆光電發射分光裝置1之高解析度。
實驗3.
使用圖1之逆光電發射分光裝置1，實驗1(b)：氧化釔陰極之條件下，測定試料40之LEIPS譜。將光電倍增管100於Cs-Te光電面(Hamamatsu Photonics公司製R821)與雙鹼光電面(Hamamatsu Photonics公司製R585s)改變，而比較測定結果。對試料40使用有機半導體酞菁鋅(ZnPC)
圖7中係針對具有Cs-Te光電面之光電子倍增管(Hamamatsu Photonics公司製R821)與具有雙鹼光電面之光電子倍增管(Hamamatsu Photonics公司製R585s)顯示量子效率之波長依存性。圖8中係針對該等光電子倍增管與帶通濾波器之組合顯示量子效率之波長依存性。
各圖表之橫軸表示波長，縱軸表示量子效率。又，實線表示針對Cs-Te光電面之測定結果，虛線表示針對雙鹼光電面之測定結果。
可知雙鹼光電面對波長200nm~700nm之光具有感度。另一方面，Cs-Te光電面對較300nm長波長側幾乎無感度。
圖9中係顯示實驗3之結果。圖表之橫軸表示電子之動能與真空態位之差，縱軸表示光強度。可知於Cs-Te光電面中，-4eV以下時觀測到之背景雜訊較弱。因此，確認於使用Cs-Te光電面之情形且測定200nm~300nm之波長域之光之情形時，背景雜訊較使用雙鹼光電面之情形減少。
實驗4.
使用圖1之逆光電發射分光裝置1，實驗1(a)：氧化鋇陰極之條件下，測定試料40(銀薄膜)之費米端附近之LEIPS譜。如圖3之(a)與(b)般改變光學系統構成而比較測定結果。追加之實驗條件係如以下所述。
透鏡60(160)：直徑25mm、焦點距離25mm之石英透鏡
透鏡70：直徑25mm、焦點距離30mm之石英透鏡
光電倍增管100：雙鹼光電面(Hamamatsu Photonics公司製R585s)
圖3(a)之光學系統構成之情形時以倍率Q/P=12之方式，圖3(b)之光學系統構成之情形時以倍率Q/P=1.2之方式，配置透鏡60(160)、70。光電倍增管100之光電面101之大小為5mm×8mm。電子束之對試料40之照射範圍設為半徑1mm至2mm。
圖10之圖表中係顯示實驗4之結果。圖表之橫軸表示電子之動能與費米端之差，縱軸表示光強度。又，實線表示作為聚光光學系統 80，設置有準直透鏡60與成像透鏡70之情形(本實施形態之光學系統構成)之測定結果，虛線表示作為聚光光學系統80，僅設置有會聚透鏡160之情形(先前之根據LEIPS之光學系統構成)之測定結果。自圖10可知，於本實施形態之光學系統構成(實線)，與先前之根據LEIPS之光學系統構成(虛線)比較，信號強度(光強度)增大近一位數。另一方面，於自費米端之擴散求得之LEIPS譜之解析度，兩者之間無差。
於上述實施例中，即使替代Erdman-Zipf型之電子槍，使用Stoffel-Johnson型之電子槍，各實驗結果亦相同，對帶通濾波器9()使用朝日分光公司製，結果亦相同。
[產業上之可利用性]
根據本發明，由於可實現容易處理且低成本之逆光電發射分光裝置，故，於有機電子技術領域，可適當利用本發明。尤其係，由於能夠容易進行價電子態位與空態位之正確測定，故而可促進有機薄膜電晶體或有機薄膜太陽電池等、利用有機半導體之裝置之開發。
1‧‧‧逆光電發射分光裝置
10‧‧‧陰極(電子產生部)
20‧‧‧電子透鏡
30‧‧‧電子槍
40‧‧‧試料
50‧‧‧真空槽
51‧‧‧窗部
60‧‧‧準直透鏡
70‧‧‧成像透鏡
80‧‧‧聚光光學系統
90‧‧‧帶通濾波器(波長選擇部)
100‧‧‧光電倍增管(光檢測器)
101‧‧‧光電面(光電轉換部)
102‧‧‧電子倍增器電極部(電子倍增部)

Claims (7)

  1. 一種逆光電發射分光裝置，其特徵在於，其係於試料照射電子束，檢測試料內之電子緩和至空態位時產生之光者；且包含：電子產生部，其產生照射於試料之電子；波長選擇部，其選擇由試料產生之光中具有特定之波長之光；光檢測器，其檢測由波長選擇部選擇之光；及聚光光學系統，其配置於試料與光檢測器之間；且電子產生部包含氧化釔作為熱電子釋放材料。
  2. 如請求項1之逆光電發射分光裝置，其中光檢測器包含對具有400nm以上波長之光不具有感度之日盲型之光電轉換部。
  3. 如請求項2之逆光電發射分光裝置，其中日盲型之光電轉換部包含選自包含碘化銫、銫碲及氮化鎵之群之光電轉換材料。
  4. 如請求項1至3中任一項之逆光電發射分光裝置，其中聚光光學系統包含：準直透鏡，其係以將由試料產生之光轉換成平行光束之方式，配置於試料與波長選擇部之間；及成像透鏡，其係以將由波長選擇部選擇之光成像於光檢測器之光電轉換部之方式，配置於波長選擇部與光檢測器之間。
  5. 如請求項1至4中任一項之逆光電發射分光裝置，其中波長選擇部係以介電質多層膜構成之干涉帶通濾波器。
  6. 如請求項1至5中任一項之逆光電發射分光裝置，其中試料係被具有5eV以下之能量之電子束照射；波長選擇部係於150nm至700nm之範圍內具有透過波長域。
  7. 一種逆光電發射分光裝置，其特徵在於，其係於試料照射電子 束，檢測試料內之電子緩和至空態位時產生之光者；且包含：電子產生部，其產生照射於試料之電子；波長選擇部，其選擇由試料產生之光中具有特定之波長之光；光檢測器，其檢測由波長選擇部選擇之光；及聚光光學系統，其配置於試料與光檢測器之間；且光檢測器包含對具有400nm以上波長之光不具有感度之日盲型之光電轉換部。
TW104117222A 2014-05-29 2015-05-28 逆光電發射分光裝置 TW201546438A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014111515 2014-05-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201546438A true TW201546438A (zh) 2015-12-16

Family

ID=54698965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104117222A TW201546438A (zh) 2014-05-29 2015-05-28 逆光電發射分光裝置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20170199131A1 (zh)
EP (1) EP3150992B1 (zh)
JP (1) JP6324501B2 (zh)
TW (1) TW201546438A (zh)
WO (1) WO2015182641A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3252512A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-06 Leica Instruments (Singapore) Pte. Ltd. Interchangeable optical module and microscopic apparatus
JP6851283B2 (ja) * 2017-07-31 2021-03-31 日本電子株式会社 画像処理装置、分析装置、および画像処理方法
JP6889920B2 (ja) * 2017-08-23 2021-06-18 国立大学法人千葉大学 逆光電子分光測定装置及び逆光電子分光測定用基板並びに逆光電子分光測定方法
DE102017130072B4 (de) * 2017-12-15 2021-05-20 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Impulsauflösendes Photoelektronenspektrometer und Verfahren zur impulsauflösenden Photoelektronenspektroskopie
JP7204163B2 (ja) * 2018-03-02 2023-01-16 国立大学法人千葉大学 エネルギー分散測定装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2535771B2 (ja) * 1994-03-24 1996-09-18 広島大学長 逆光電子分光用帯域幅可変光検出器
JP2535772B2 (ja) * 1994-03-24 1996-09-18 広島大学長 逆光電子分光用狭帯域高感度光検出器
JP6108361B2 (ja) * 2012-02-28 2017-04-05 国立大学法人京都大学 固体の空準位測定方法及び装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20170199131A1 (en) 2017-07-13
JPWO2015182641A1 (ja) 2017-04-27
EP3150992B1 (en) 2020-05-27
WO2015182641A1 (ja) 2015-12-03
JP6324501B2 (ja) 2018-05-16
EP3150992A4 (en) 2018-02-21
EP3150992A1 (en) 2017-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11081310B2 (en) Photocathode including silicon substrate with boron layer
US10748730B2 (en) Photocathode including field emitter array on a silicon substrate with boron layer
JP6328225B2 (ja) 光電子増倍管（ｐｍｔ）、イメージセンサ、及びｐｍｔ又はイメージセンサを用いた検査システム
TW201546438A (zh) 逆光電發射分光裝置
US10559445B2 (en) Photoelectric surface, photoelectric conversion tube, image intensifier, and photomultiplier tube
US9664564B2 (en) Method and device for measuring unoccupied states of solid
JP4562844B2 (ja) 光電陰極及び電子管
JP5955713B2 (ja) 光電陰極
Gottwald et al. Advanced silicon radiation detectors in the vacuum ultraviolet (VUV) and the extreme ultraviolet (EUV) spectral range
JP4092300B2 (ja) 有機材料の特性評価方法および特性評価装置
Gottwald et al. Advanced silicon radiation detectors in the vacuum ultraviolet and the extreme ultraviolet spectral range
JP5865527B2 (ja) 光電陰極及び光電子増倍管
Coleman Field-enhancement of photoemission from cesium telluride
Gottwald et al. ultraviolet and the extreme ultraviolet spectral range
RU2574214C1 (ru) Фотокатодный узел
Subahi et al. UV response of a transition metal oxide diode
JP2014044960A (ja) 光電陰極
JPH0521191B2 (zh)